TU Darmstadt / ULB / TUprints

Target-Site Penetration of Active Ingredients in Human Skin

Lubda, Markus (2020):
Target-Site Penetration of Active Ingredients in Human Skin.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014169,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Dissertation_Markus Lubda.pdf
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

Download (3MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Target-Site Penetration of Active Ingredients in Human Skin
Language: English
Abstract:

The skin is a major physical and immunological barrier to the environment, and thus, percutaneous delivery of drugs or active pharmaceutical molecules (APIs) faces a unique set of hurdles. The efficacy of these active ingredients is governed by their release into the underlying tissue, especially when administered topically. However, the factors driving penetration in dermal and transdermal delivery systems remain poorly understood, and robust methods, models, and controls are important to bridge this gap in knowledge. The aim of this study is to understand what influences skin penetration and to identify reliable human skin surrogates for in vitro and ex vivo testing. The lipophilic characteristics of active ingredients determine its penetration, and thus play an important role in enabling access to the target-site. Thus, in addition to vertical penetration, the skin allows a lateral diffusion of active molecules and maintains an intra-donor equilibrium within the stratum corneum, viable epidermis, and dermis. To test this effect, three surrogate systems have been used, the in vitro artificial Strat-M® membrane, ex vivo porcine split-skin, and human split-skin. The reproducibility and validity of these models was tested using hydrophilic caffeine and lipophilic LIP1 as model drugs, which have similar molecular weights, in various formulations. The uptake kinetics were monitored and quantified using a Franz Diffusion Cell and microdialysis, followed by high-performance liquid chromatography to qualify and quantify the active ingredient. Appropriate surrogate models were identified and the conditions required to perform penetration experiments that are most reflective of in vivo conditions were optimized. The findings show that the potential barrier and reservoir function of the different skin layers, donor-specific intra-skin equilibrium with inter-skin difference, and lateral diffusion are significant contributors to the overall penetration ability. The penetration models developed and described herewith help to understand the conditions necessary for the penetration of molecules of interest and standardize the model to be chosen for a specific analytical case. This could in turn lower the attrition rate of active compounds in in vivo trials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Haut, als wichtige physikalische und immunologische Barriere zum Schutz vor Umwelteinflüssen, macht, aufgrund ihrer Abwehrmechanismen, die perkutane Penetration von aktiven Wirkstoffen und Arzneimitteln zu einer Herausforderung. Bei der Entwicklung von Wirkstoffen ist eine kontrollierte Penetration durch eine topische Applikation für die Funktionalität dieser entscheidend. Bis heute sind Faktoren, die die dermale und transdermale Penetration beeinflussen, wenig bekannt, weshalb die Entwicklung von robusten Modellen und Methoden für spezifische Untersuchungen umso entscheidender ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe eines erlangten Verständnisses für Penetrationsvorgänge, geeignete Menschen Hautmodelle für in vitro und ex vivo Tests zu entwickeln. Die Lipophilie von Wirkstoffen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Penetrationsfähigkeit und ihren Transport an den Wirkungsort. Deshalb wurde das spenderspezifische Gleichgewicht hinsichtlich der Verteilung aktiver Moleküle in Stratum Corneum, Epidermis und Dermis untersucht. Aktive Moleküle können in der Haut sowohl vertikal penetrieren als auch lateral diffundieren. Um diesen Effekt nachzuweisen, wurden mehrere Hautersatzmodelle verwendet, zum einen die künstliche Strat-M® Membran für in vitro Tests und zum anderen Spalthaut vom Menschen sowie vom Schwein für ex vivo Tests. Die Reproduzierbarkeit und Validität dieser Modelle wurde unter Verwendung zweier Modellwirkstoffe mit identischem Molekulargewicht, hydrophiles Koffein und lipophiles LIP1, getestet. Penetrationsversuche dienten der Untersuchung des Einflusses der Formulierung auf die Penetrationseigenschaften aktiver Moleküle. Die Aufnahmekinetik wurde mittels Franz-Diffusions-Zelle und Mikrodialyse bestimmt. Zur Qualifizierung und Quantifizierung der Wirkstoffe wurde die Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) herangezogen. Anschließend erfolgte die Identifizierung geeigneter Ersatzmodelle für menschliche Haut und die Optimierung der Bedingungen für die Durchführung von Penetrationsexperimenten, die die in vivo Bedingungen am besten widerspiegeln. Dabei wurden eine Barriere- und Reservoir-Funktion der verschiedenen Hautschichten, ein spenderspezifisches Intra-Haut-Gleichgewicht und eine laterale Diffusion, als signifikanter Beitrag zur gesamten Penetration bestimmt. Die entwickelten Penetrationsmodelle dienen dem Verständnis erforderlicher Bedingungen für das gezielte Eindringen von Molekülen in die Haut und schaffen die Voraussetzung für eine standardisierte Durchführung von Versuchen. Die Berücksichtigung der erarbeiteten Ergebnisse und Erkenntnisse können dazu beitragen, die Ausfallrate von Wirkstoffen in in vivo Versuchen zu senken.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Biochemie > Allgemeine Biochemie
Date Deposited: 03 Nov 2020 13:30
Last Modified: 03 Nov 2020 13:30
DOI: 10.25534/tuprints-00014169
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-141691
Referees: Kolmar, Prof. Dr. Harald and von Hagen, Prof. Dr. Jörg
Refereed: 22 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14169
Export:
Actions (login required)
View Item View Item